La rupture des matériaux 9782759801244

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La rupture des materiaux

Clement Lemaignan

SCIENCES 17, avenue du Hoggar Parc d'Activite de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

ISBN : 2-86883- 642-9 Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous precedes, reserves pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alineas 2 et 3 de 1'article 41, d'une part, que les « copies ou reproductions strictement reservees a 1'usage prive du copiste et non destinees a une utilisation collective », et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, «toute representation integrate, ou partielle, faite sans le consentement de 1'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinea ler de 1'article 40). Cette representation ou reproduction, par quelque precede que ce soit, constituerait done une contrefacon sanctionnee par les articles 425 et suivants du code penal.

© EDP Sciences 2003

Table des matieres

Avant-propos 1 • Introduction 2 • Les defauts metallurgiques

vii 1 3

Les processus metallurgiques generateurs de defauts La mise en forme et les traitements thermiques Le suivi des defauts : le controle non destructif L'evolution des defauts

4 14 18 25

3 • Les moyens de caracterisation des ruptures

27

La fractographie Le microscope electronique a balayage

27 29

4 • Les perturbations locales des contraintes induites par les singularites geometriques

33

Les concentrations de contraintes Le facteur d'intensite de contraintes La propagation d'une fissure L'evaluation des contraintes et deformations en regime elasto-plastique - Integrate de Rice

33 36 43 45

5 • La rupture theorique entre atomes

47

Le calcul de la contrainte theorique de rupture

47

6 • La rupture ductile

51

Le developpement de la striction Les concentrations de contraintes autour des inclusions Le developpement des cavites et la formation des cupules

51 53 55

7 • Le clivage et les ruptures fragiles

57

L'amorgage d'un clivage L'essai Charpy (ou de resilience) La fragilisation intergranulaire Approche statistique de la rupture

57 60 63 64

IV

LA RUPTURE DES MATERIAUX

8 • La zone plastique en fond de fissure

67

Les conditions de deformation plane La zone plastique en tete defissure La zone plastique d'Irwin Geometric detaillee de la zone plastique Geometric tridimensionnelle de la zone plastique Distribution des contraintes dans la zone plastique

67 68 69 69 70 73

9 • La tenacite

75

La mesure du KIC Autres mesures de tenacite La tenacite des ceramiques Les ratio analysis diagrams (RAD)

75 80 84 85

10 • La fatigue

87

La fatigue dans le domaine elastique : les courbes de Wohler La propagation des fissures de fatigue L'amorcage des fissures de fatigue La fatigue oligocyclique

88 93 97 101

11 • La corrosion sous contrainte Aspects generaux L'amorcage en corrosion sous contrainte Les mecanismes de propagation Les methodes d'essais en CSC

12 • Autres ruptures fragiles La fatigue-corrosion La fragilisation par 1'hydrogene Les sollicitations en temperature et lefluage La fatigue en temperature La fatigue thermique La fragilisation par les metauz liqnides (FML)

105 105 108 110 111

113 113 116 118 119 121 122

13 • La rupture des polymeres

125

Structure et deformation des polymeres La formation des craqnelnres Les modes de rupture des polymeres

125 127 129

14 • Les conduites a tenir La detection d'unefissure Le suivi de la propagation desfissures L'evolution du materiau

131 131 132 133

Annexes

135

Al Evaluation des singularites de contraintes A2 Fissure dans la paroi d'un tube sous pression

135 136

Avant-propos

L'objet du present ouvrage est de fournir une vision globale des phenomenes responsables de la ruine de materiaux de structure. Ceux-ci revetent en effet une importance considerable puisque, peu ou prou, ils vont determiner la duree de vie ou la disponibilite d'un composant, d'un assemblage et, par enchainement, d'une installation industrielle complete. Get ouvrage est done principalement destine a des etudiants ou des ingenieurs deja familiarises avec la science des materiaux et qui voudraient approfondir les phenomenes specifiques conduisant a la rupture, tout en ayant une vision globale de leur variete. Par cette lecture, ils pourront acquerir une connaissance fine, mais la plus complete possible, des mecanismes de rupture, developpant ainsi une capacite a prevenir les defaillances par la connaissance des conditions qui leur donnent naissance. De plus, en cas de rupture en service, ils pourront, par 1'examen des pieces rompues, determiner, et done combat tre, les causes de ruine. La redaction de ce livre a pour origine la synthese d'un enseignement prodigue depuis plus de vingt ans sur ce theme a 1'Institut National Polytechnique de Grenoble. L'auteur s'est volontairement limite a une presentation qualitative des phenomenes, reduisant au minimum les developpements mathematiques, pour privilegier les implications concretes et les illustrer par des cas reels a caractere pedagogique. Pour des developpements plus detailles, une bibliographie propose une serie d'ouvrages en vue de 1'eventuel approfondissement d'un mecanisme particulier.

Cette page est laissée intentionnellement en blanc.

Introduction

Si les ruptures n'existalent pas, les ingenieurs seralent pratiquement inutiles et chacun pourrait construire un pont, un avion ou une maison sans le moindre risque de destruction de la structure. A contrario, nous ne pourrions partager le pain, ni reduire en poudre des medicaments ou decouper une vitre au diamant sans la realite de ruptures aisees sur de nombreux materiaux. Le controle de 1'occurrence, ou non, de ruptures dans des objets courants est essentiellement lie a la conception de ces objets. Au debut de 1'ere industrielle, la "force des metaux" avait bien etc quantifiee par des grandeurs extensives, et des defauts responsables de ruptures localisees avaient ete identifies. La mauvaise connaissance de leur geometrie, et surtout de leurs effets, avait conduit a 1'utilisation de "coefficients de securite" dont la valeur relevait d'une approche empirique confortee par 1'usage. Un certain nombre d'accidents spectaculaires, dans tous les domaines de 1'activite humaine (par exemple voir la figure 1.1) a conduit rapidement a se pencher sur tous les mecanismes pouvant conduire a rupture. Ces approches sont maintenant etendues a I'ensemble des processus industriels, a toutes les echelles, y compris les plus fines comme celles de la micro-electronique (Fig. 1.2). Parallelement, 1'etude fine des aspects mecaniques, lies a la presence des defauts, a connu un developpement majeur, donnant naissance a une nouvelle discipline, la mecanique de la rupture. Aujourd'hui les techniques de controles industriels non destructifs et la possibilite d'evaluer 1'impact des singularites geometriques des defauts sur les sollicitations locales permettent de vivre sans risques avec des defauts repertories dans des assemblages, et ce pour les conditions attendues d'utilisations qui peuvent etre tres variables. L'objet du present ouvrage est d'introduire aux concepts et methodes modernes qui permettent de controler les conditions de developpement des ruptures dans les composants industriels. On se penchera successivement sur les moyens utilises pour examiner les ruptures, les mecanismes a 1'origine des defauts dans les structures et les concepts mecaniques permettant de quantifier les solicitations locales qu'ils induisent (rnecanique de la rupture), avant de detailler les divers mecanismes

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Fig. 1.1. Liberty ship "Schenectady" rompu a quai le 24 Janvier 1943, par une temperature de -6 °C.

physiques conduisant a la rupture d'une piece donnee : rupture theorique, rupture ductile, clivage, dechirement, fatigue et effets d'environnement : corrosion sous contrainte, fatigue corrosion, fragilisation par 1'hydrogene, fluage... Les materiaux consideres seront principalernent des metaux, mais on ne s'interdira pas des detours par les ceramiques, les verres ou les polymeres. On terminera par les conduites a tenir en presence de defauts, les methodes de calculs de duree de vie et la prevention.

Fig. 1.2. Exemple de rupture a I'echelle micronique : rupture d'un fil de contact sur un microprocesseur.

Les defauts metallurgiques Les defauts sont presents dans pratiquement toutes les structures metalliques, Us apparaissent lors de la fabrication essentiellement. A la solidification, les variations de volume, de temperature et de composition, induisent des series de defauts, les soudures exacerbent les memes phenomenes. L'usinage et les traitements thermiquespeuvent etre a I'origine de fissurations dans I'etat final des pieces. Pour controler I'etat d'une structure, les methodes de controle non destructif permettent de determiner I 'existence et la geometrie de defauts. Les techniques de radiographie ou de controle ultrasonore donnent ces informations a cceur, tandis que les techniques de courants de Foucault, la magnetoscopie ou le ressuage donnent des informations sur les defauts proches de la surface ou debouchant.

La notion de defaut est a la fois assez intuitive et tres imprecise. "Imperfection physique, partie imparfaite et qui ne possede pas les qualites requises" precise le Robert. Une telle definition souligne combien la caracterisation d'un defaut n'est en rien absolue, mais relative a 1'usage que Ton veut faire de la piece ou de 1'assemblage ou il est present. Une semantique moderne permet de reduire le flou d'une telle approche. Elle ne sera pas detaillee ici et Ton se limitera seulement a detailler les principales origines des defauts et les moyens de les caracteriser. Ainsi, la purete chimique, la structure cristalline, I'etat de surface ou la presence de certaines inclusions auront une importance tres differente selon qu'on utilise un metal pour ses proprietes electroniques, magnetiques, mecaniques ou de resistance a la corrosion. Ce qui pourra etre considere comme un defaut grave pour une application donnee sera parfois un avantage pour un autre usage. De meme, les diverses parties d'un assemblage n'etant pas soumises aux memes sollicitations, ni au meme environnement, un defaut present a un endroit donne pourra necessiter une reprise avant remise au client alors que, situe differemment dans la piece, il sera considere comme insignifiant. Lors de tout controle de piece, il est done necessaire de definir ce qui caracterise un defaut, c'est-a-dire une condition qui, reliant sa taille, sa geometrie, son emplacement et eventuellement son origine, precise son danger potentiel. La liaison entre le controle et la conception devra done etre tres etroite pour separer ce qui est defaut de ce qui ne 1'est pas. Elle devra etre au moins aussi forte avec la fabrication pour comprendre la genese des defauts et y porter remede. L'objet de ce chapitre est de presenter quelques notions generales sur I'origine et 1'evolution des defauts dans les pieces metalliques, afin de faciliter le dialogue

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entre ceux qui realisent les controles ou utilisent les pieces, et ceux qui les ont concues ou en ont realise les composants.

Les processus metallurgiques generateurs de defauts La solidification La quasi-totalite des metaux utilises industriellement sont passes, a un moment donne de leur histoire, par 1'etat liquide a des fins d'elaboration ou de mise en forme. Lors de la solidification, divers phenomenes physiques, dont les consequences seront variees, se manifestent et marquent le metal. II en gardera la trace, souvent meme apres plusieurs autres transformations thermomecaniques. Trois proprietes physiques particulieres des metaux et alliages interviennent toujours lors de la solidification. Ce sont des caracteristiques intrinseques de la transformation liquide - solide, dont il faut chercher a attenuer les consequences.

La difference de solubilite des elements d'alliage Premierement, la solubilite des elements d'alliages est generalement tres differente dans le solide et le liquide. En particulier, pratiquement toutes les impuretes et les constituants mineurs des alliages sont plus solubles dans le liquide que dans le solide. Lors de la progression du front de solidification, le solide qui se forme est plus pur que le liquide qui lui donne naissance. Le liquide s'enrichit done progressivement en constituants mineurs. Le gradient de concentration qui en resulte, entre les parties qui ont solidifie les premieres et celles qui ont solidifie les dernieres, est appele la segregation. De plus, le liquide s'enrichissant en solute juste en avant du front de solidification, le gradient de concentration, cree dans le liquide, conduit a un mode de solidification instable. Le front de solidification n'est pas plan mais tres perturbe et les cristaux se developpent au sein du liquide de maniere arborescente et enchevetree : ce sont les dendrites. A la fin de la solidification, le liquide restant, qui forme les zones interdendritiques, est fortement charge en elements mineurs, les concentrations locales d'impuretes pouvant etre, pour de gros lingots, plusieurs fois superieures a la composition nominale. Dans le cas des aciers, ceci est particulierement important pour le soufre, 1'etain ou le phosphore qui sont responsables de la fragilite de ces zones interdendritiques. Le rejet des solutes lors de la solidification peut conduire a depasser, dans le liquide, la limite de solubilite d'un element particulier. Dans le cas des gaz, il se forme des bulles qui restent prisonnieres de renchevetrement des dendrites.

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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On obtient alors des soufflures. Dans certaines conditions, la reaction de degagernent gazeux peut s'entretenir sur le front de solidification. Les soufflures sont alors tres allongees et perpendiculaires aux isothermes. On evite ces defauts en reduisant la quantite de gaz dissous dans le metal liquide, soit par degazage sous vide ou argon, soit par fixation de 1'oxygene sur les oxydes.

La difference de masse volumique La deuxieme propriete physique a intervenir lors de la solidification est la difference de masse volumique entre le liquide et le solide. En general, celle-ci correspond a une contraction de 1'ordre de 3 a 6 % lors de la solidification. En consequence, un volume ferine d'alliage liquide que Ton laisse solidifier ne sera pas completement comble par le solide. La cavite restante est appelee une retassure. Deux types de retassures existent: les retassures majeures (Fig. 2.1) affectent la partie superieure des lingots ou des pieces moulees. On cherche a les diminuer par une operation de masselottage qui retarde la solidification de la partie superieure. Les micro-retassures, elles, se forment lorsque 1'enchevetrement des dendrites isole une petite zone liquide du reste du lingot. Le retrait du liquide degage alors une petite partie du squelette dendritique (Fig. 2.2). Lors du laminage ou du forgeage ulterieur, les soufflures et les micro-retassures qui ne debouchent pas vers 1'exterieur se ressoudent car leur surface n'est pas oxydee. Elles restent cependant des zones de moindre resistance.

Fig. 2.1. Retassures dans des lingotins d'aluminium.

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Fig. 2.2. Cavite dans une piece solidifiee tapissee de dendrites.

Le gradient thermique pendant la solidification Enfin, la solidification, liberant la chaleur latente de fusion, est toujours associee a un gradient thermique dans la partie solide. La valeur de ce gradient et la distribution des temperatures evoluant au cours de la solidification, les contractions differentes en chaque point du solide engendrent des contraintes thermiques. Des tensions locales peuvent induire des ruptures ou des dechirures dans les parties les plus fragiles. En particulier, en fin de solidification, alors que les zones interdendritiques sont encore mal consolidees, il peut se former des criques a chaud. Ce sont des defauts internes de formes tres perturbees et qui suivent le contour des dendrites (Fig. 2.3). Leur risque de formation augmente fortement lorsque 1'alliage se solidifie dans un large domaine de temperature. On les rencontre frequemment pres des points chauds qui, dans les moules a geometric complexe, sont les zones d'ou la chaleur s'evacue mal, par exemple une gorge ou un angle rentrant. Leur solidification est retardee et elle aura lieu a partir d'un liquide plus riche en impuretes. Ces zones sont, de plus, fortement sollicitees par les contraintes thermiques en raison de leur geometric. La figure 2.4, qui est la photo de 1'empreinte Baumann(1) transversale d'un lingot refroidi tres rapidement (coulee continue), montre la conjonction des trois (1)

Procedure d'attaque metallurgique qui revele les concentrations locales en soufre.

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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Fig. 2.3. Criques a chaud dans une soudure d'un alliage d'aluminium.

Fig. 2.4. Empreinte Baumann d'une billette de coulee continue (retassure centrale, criques et segregations...).

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types de defauts decrits precedemment : segregations interdendritiques de soufre, retassure centrale et criques a chaud. Un autre type d'accident de refroidissement ayant pour origine les contrain tes thermiques est constitue par les tapures. Ce sont des fissures, souvent de grandes tallies, rectilignes et transgranulaires qui se produisent a basse temperature. Elles doivent leur norn au bruit important qui accompagne parfois leur formation. Elles sont dues a un refroidissement trop rapide, en parti culier lors du passage des points de transformations dans les aciers trempants. Les tapures ne sont pas specifiques de la solidification, mais de tout changement de temperature brusque. Lors d'un refroidissement, les parties externes sont en tension et les tapures sont debouchantes, alors qu'elles sont internes lors du chauffage.

Les inclusions En plus des defauts deja decrits et qui ont pour origine des phenomenes physiques qui apparaissent toujours lors de la solidification, d'autres defauts, d'origines variees, se materialisent lors de cette etape de la fabrication. C'est en particulier a ce moment que les inclusions se fixent dans le metal. Ce sont des particules, generalement non metalliques et insolubles, qui ont ete emprisonnees dans le front de solidification. On distingue deux grandes classes d'inclusions suivant leur origine. Les inclusions exogenes sont dues a 1'incorporation, au sein du metal liquide, de particules qui lui sont etrangeres. Parmi les sources les plus frequentes de telles particules, on trouve le laitier superficiel, partiellement entraine lors de la coulee et des debris de refractaires arraches par le metal liquide de la surface des poches, fours et conduits. De plus, certaines reactions chimiques peuvent avoir lieu entre le metal liquide et les garnissages, en particulier avec les aciers a fort rapport Mn/Si. Lorsqu'elles n'ont pas decante avant solidification, ces particules sont emprisonnees dans le metal et forment des inclusions souvent assez grandes et de formes perturbees, leurs compositions chimiques decoulant de leurs origines (silicates, aluminates, etc). Les inclusions endogenes se forment par reaction interne dans le metal liquide, lorsque revolution de la concentration de certains elements, due a une addition ou a la segregation induite par la solidification, conduit a depasser le produit de solubilite des constituants d'un compose chimique donne. On obtiendra ainsi des inclusions a partir des produits de reaction des additions de metal desoxydant avec 1'oxygene dissous (A1203, Si02, Cr203 et leurs combinaisons). Ces inclusions, souvent spheriques, ont une taille qui peut varier de la fraction de micrometre a quelques dizaines de micrometres. Eventuellement, elles s'agglomerent pour former des grappes, particulierement dans le cas de ralumine (Fig. 2.5). Les inclusions a base de sulfures se forment generalement en fin de solidification, dans les zones interdendritiques ou la conjonction de 1'enrichissement en soufre et de 1'abaissement de la temperature induit leur precipitation.

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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Fig. 2.5. Alignement d'inclusions dans un acier au carbone.

Autres incidents de coulee Enfin, la solidification des lingots et pieces de fonderie peut etre la source de defauts de surface mineurs : ainsi, les piqures sont des defauts minuscules (en trou d'epingle) a la surface (Fig. 2.6). Elles ont pour origine le degagement gazeux du refractaire de rnoulage ou de la lingotiere mal scenes.

Fig. 2.6. Piqures de surface sur une piece moulee.

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Lorsqu'ils sont de petites dimensions, ces defauts sont pratiquement sans consequence car ils disparaissent avec la calamine lors des rechauffages ulterieurs de 1'acier. Lors de la coulee des lingots, on peut risquer la formation de gouttes froides ou des doubles peaux. Ces defauts, qui sont des bandes de metal separees du reste du lingot par une couche d'oxyde, se forment lorsque les eclaboussures se solidifient sur les parois de la lingotiere ou que du metal liquide s'infiltre entre la lingotiere et une premiere peau solidifiee. Ils sont faciles a detecter car ils se refroidissent plus rapidement que le reste de la surface et apparaissent en sombre a la sortie d'un four.

Aspects specifiques des soudures Lors de la realisation d'une soudure, il y a generalement fusion locale du metal de base, toujours fusion du metal d'apport. Au cours de la solidification, toutes les causes de defauts intrinseques deja exposees sont potentiellement actives (segregation, retassure et contraintes dues aux gradients thermiques). Cependant, en raison des caracteristiques de cette operation, leurs effets sont differents du cas des grosses pieces. De plus, certains phenomenes, propres a la soudure, peuvent s'ajouter et etre a 1'origine de defauts specifiques.

Les inclusions Ainsi, lors de la realisation d'une soudure en plusieurs passes, des inclusions peuvent etre la consequence d'un mauvais enlevement du flux (le laitier protecteur solidifie) ; une partie du flux de la passe precedente peut rester accrochee sur les bords du caniveau du cordon de soudure et etre recouverte par la passe suivante, formant une inclusion assez anguleuse. Les risques d'obtention de ces defauts augmentent lorsqu'on utilise des flux qui favorisent un cordon fortement bombe. De meme, bien que le cas soit rare, 1'electrode d'une soudure TIG peut fournir des gouttes de tungstene qui s'incorporent dans le cordon de soudure. Ces inclusions metalliques sont obtenues si, par inadvertance, 1'operateur met en contact I'extremite de 1'electrode avec le bain liquide.

Les soufflures Les soufflures sont frequentes dans les cordons. Les gaz qui en sont a l'origine sont soit presents dans le metal de base (soudure des toles d'aciers effervescents), soit se forment a partir de 1'humidite ambiante fixee sur les electrodes ou les surfaces a souder. On evite la liberation de ces gaz, generalement 1'oxyde de carbone, par adjonction dans les electrodes de desoxydants et aussi en dessechant les electrodes a 1'etuve avant utilisation.

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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Fig. 2.7. Developpement schematique d'un arrachement lamellaire.

Les criques Les criques, toujours a redouter dans les cordons de soudure en ralson des tres forts gradients thermiques crees par la fusion locale du metal, sont parfois appelees fissures a chaud. Elles peuvent atteindre des tallies considerables et se propager le long du cordon au fur et a mesure de sa formation. De plus, d'autres fissures peuvent se developper au voisinage du metal fondu. Ce sont les arrachements lamellaires et les fissures a froid (Fig. 2.7).

Les arrachements lamellaires LOTS de la realisation d'un assemblage ou deux toles fortes sont perpendiculaires (coin, joint en T...), les contraintes thermiques de refroidissement ont une composante de traction parallele au travers de 1'une des deux toles. Une faible ductilite transverse favorise la formation de fissures dites arrachement ou dechirement lamellaire. La surface de ces fissures, en marches, correspond aux alignements locaux des inclusions, obtenus par laminage, et le long desquels la rupture s'est propagee de proche en proche (Fig. 2.8).

La fissuration a froid La fissuration a froid est un phenomene que Ton peut attendre lors de la soudure d'aciers de construction trempants. Elle apparait dans la fraction de la zone

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Fig. 2.8. Fissuration par arrachement lamellaire sur une soudure.

affectee thermiquement (ZAT) qui est passee au-dessus de A3 (passage dans le domalne austenitique). Ces fissures se developpent a la temperature ambiante, longtemps, parfois plusieurs jours, apres la realisation de la soudure. Le mecanisme de leur formation fait intervenir simultanement la presence d'hydrogene, une structure de trempe dans la ZAT et des contraintes internes a la suite du soudage. Lors de la realisation du cordon, 1'hydrogene, degage par la decomposition de certains enrobages ou de 1'eau provenant de traces d'humidite residuelle, passe en solution dans la zone fondue et, par diffusion, dans 1'austenite qui s'est formee au contact du bain de fusion. La solubilite de 1'hydrogene dans 1'austenite etant pres de deux fois plus grande que dans la ferrite, la transformation martensitique de la zone austenitisee induit une sursaturation locale en hydrogene car celui-ci n'a pas le temps de diffuser lors de cette transformation rapide. A froid, les contraintes residuelles et la fragilite intrinseque de la martensite favorisent la propagation de fissures qui se sont initiees par rassemblement d'atomes d'hydrogene autour de singularites (precipites, micro-inclusions et, parfois, singularites de forme) ainsi qu'illustre en figure 2.9. Ce type de fissuration n'est present que dans la ZAT et done donne generalement des defauts de petites tallies. On le previent en reduisant les teneurs en hydrogene de tous les materiaux utilises (choix et sechage des electrodes...) et en allongeant le cycle thermique de la soudure : un prechauffage diminue la Vitesse

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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Fig. 2.9. Fissuration a froid dans la zone martensitique d'une soudure.

de refroidissement lors de la transformation martensitique ; la martensite qui se forme sera moins dure, donc moins fragile. Un post-chauffage augmente la diffusivite de 1'hydrogene et favorise le degazage de la ZAT.

Autres defauts Sans vouloir etre exhaustif, soulignons que d'autres types de defauts sont presents dans les soudures, en particulier des defauts de forme. On peut citer les defauts d'alignement entre toles a rabouter, les sur-epaisseurs de cordon, ou, a 1'oppose, les caniveaux, le manque de penetration du cordon qui laisse une cavite interne anguleuse, ou les collages qui sont des manques de liaison entre passes (Fig. 2.10). Ces defauts sont repertories et leur description est meme quantifiable. De plus, sans creer de defauts au sens de discontinuite locale de matiere, la soudure induit une transformation locale par traitement thermique du metal de base dont les consequences, si elles ne sont pas prises en compte lors de la conception, peuvent etre dramatiques en service. Ainsi, en plus du role de la martensite dans la fissuration a froid, rappelons que, lors de la soudure d'aciers inoxydables austenitiques ordinaires, la zone portee vers 750 °C est le siege d'une precipitation intergranulaire de carbures de chrome associee a une dechromisation partielle de la matrice adjacente. II s'ensuit une susceptibilite a la corrosion intergranulaire en bordure du cordon. On evite ces incidents en inhibant la precipitation de carbures de chrome, soit par reduction du carbone total (aciers bas carbone), soit en favorisant la precipitation d'autres carbures (aciers stabilises au Ti ou au Nb).

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Fig. 2.10. Manque de liaison entre passes lors d'une soudure avec flux.

La mise en forme et les traitements thermiques Apres solidification complete d'un lingot ou d'une piece moulee, il est deja necessaire de determiner la presence de certains defauts. En effet, souvent faciles a detecter sur une piece brute de solidification en raison de leur taille importante, ces defauts le sont plus difficilement ulterieurement a cause de 1'evolution de leur geometric. De plus, s'ils doivent conduire au rebut, il est souhaitable que la piece ait la plus faible valeur possible lors de la prise de decision de rejet. Enfin, s'ils ne sont pas elimines tres tot, des defauts mineurs peuvent servir de site d'initiation de defauts de plus grande taille lors des traitements thermomecaniques ulterieurs. Cependant, si toutes les precautions sont prises pour eliminer les defauts de solidification, il ne faut pas oublier que le corroyage et les traitements thermiques sont eux-memes generateurs de defauts.

Le forgeage Divers defauts de forge ont pour origine un manque de soin lors de cette operation. Une matrice mal nettoyee imprimera sur la surface de la piece a deformer i'empreinte des corps etrangers presents. Ces defauts de surface, en creux, forment les gales. Les repliures, elles, sont obtenues lorsque les saillies de metal obtenues aux etapes precedentes sont repliees et incrustees dans la piece. Le defourni, quant a lui, correspond a un manque local de metal en raison d'une taille de lopin trop faible ou d'une mauvaise succession des passes de forge. Ces defauts sont generalement visibles a 1'oeil nu et leur elimination est rapidement obtenue par un soin plus grand lors du forgeage. Plus grave, par centre, est la clique centrale. Cette fissure axiale se developpe eventuellement lorsqu'on cherche a forger un cylindre plein, a partir d'un gros

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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Fig. 2.11. Chevrons internes, reveles par usinage, dans une piece filee.

lingot, en le comprimant entre les deux pannes d'une presse ou d'un pilon. La determination du reseau des lignes de glissement, associees a ce mode de mise en forme, permet de montrer que la zone de deformation plastique est tres allongee et etiree entre le marteau et I'enclume. Ceci conduit le coeur du lingot a etre soumis a une traction hydrostatique interne. Comme cette zone correspond a la segregation majeure, elle est plus fragile et une fissure pourra s'y developper, surtout si les passes de deformation sont trop grandes et que la temperature de forgeage est trop elevee.

Le filage Dans un autre precede de mise en forme, le filage, c'est pratiquement la meme cause qui est a 1'origine de defauts internes, les chevrons (Fig. 2.11) : un angle d'attaque trop important sur une filiere, associe a une faible reduction de section, permet de definir un reseau de lignes de glissement lui aussi tres etroit, qui, de la meme maniere, induit des contraintes hydrostatiques de tension au coeur du metal. Celles-ci favorisent une dechirure interne, en forme de V, repetees regulierement au centre du lopin. Dans les conditions generales de filage, ces defauts sont assez rares et leur presence aleatoire, ce qui rend leur detection difficile.

Le laminage Le defaut typique du laminage - ouverture de la tole a la sortie du laminoir selon son plan median - est trop important pour passer inapercu ; de plus, ses conditions de formation sont relativement faciles a eviter. Cependant le laminage, avec les forts taux de deformation qui lui sont associes, induit une anisotropie que l'on retrouve sous forme de texture cristallographique (orientations preferentielles des cristaux par rapport aux axes de laminage), d'alignement d'inclusions ou de structure de bande. Sans etre des defauts proprement dits, les textures cristallographiques peuvent poser des problemes ulterieurs, en particulier lors de 1'emboutissage (Fig. 2.12).

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Fig. 2.12. Cornes d'emboutissage resultant d'une texture marquee.

Difficile a detecter, 1'alignement de chapelets d'inclusions reduit la ductilite transverse comme deja signale lors de 1'analyse du dechirement lamellaire. Enfin, la structure de bandes est caracteristique des aciers au carbone lamines : a 1'etat recuit, 1'alliage presente des bandes successives de ferrite et de perlite. Leur origine est liee aux zones de segregations interdendritiques de solidification qui sont etirees lors du laminage. Ces segregations influent sur la temperature de transformation de 1'austenite. Le carbone, diffusant rapidement a ces temperatures, se rassemble dans les zones ou 1'austenite se transforme en dernier, ce qui conduit a des bandes plus riches en carbone, done a des fluctuations locales de durete. Sans etre un defaut reellement cree par la deformation plastique, c'est cependant lors du refroidissement qui suit le forgeage ou le degrossissage des lingots, brames ou toles fortes, que se forment les flocons. Ce sont de petits defauts de forme circulaire, de quelques millimetres de diametre, extremement fins et orientes aleatoirement dans la piece (Fig. 2.13). Ces petites fissures sont dues au rassemblement local de I'hydrogene a basse temperature, apres deformation plastique. Elles se forment par un mecanisme semblable a celui responsable de la fissuration a froid dans les soudures. On les evite en reduisant la teneur en hydrogene dissous dans le metal de base et en le laissant diffuser hors de la piece avant complet refroidissement, par maintien a une temperature intermediaire (150 - 200 °C) ou bien en reduisant la Vitesse de refroidissement a 1'aide d'isolants appropries.

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Fig. 2.13. Flocons responsables de la rupture d'un disque en acier de construction.

L'usinage L'operation d'usinage est une etape de la fabrication au cours de laquelle on peut trouver des erreurs d'operation, rarernent des defauts reels. Parmi les erreurs classiques, les dessins mal interpretes, les cotes rnal reproduites, les coups d'outils ou les mauvais etats de surface, dont la caracterisation releve de la metrologie, sont faciles a eliminer. Plus pernicieuse est 1'erreur sur la nuance lors du prelevement sur le pare des matieres premieres. La piece usinee, parfaitement saine au sens metallurgique, n'en sera pas moins, par ellememe, un defaut au sein d'un assemblage. La detection de cette erreur est difficile et ne pourra se faire generalement que de facon destructive. Lors de 1'usinage proprement dit, des defauts ne se ferment que rarernent, en raison en particulier du volume tres limite dans lequel 1'arete de 1'outil induit des contraintes et deformations plastiques. Cependant, sans etre producteur de defaut, 1'usinage peut en etre le revelateur. Ainsi 1'enlevement de metal peut porter a la surface un defaut qui etait peu profond. Dans certains cas, une abrasion de metal ayant pour objet d'eliminer un defaut tres visible, peut reveler les defauts sous-jacents, plus petits. La rectification est parfois a 1'origine de petits defauts de surface : les tapures de rectification. Elles sont dues a l''echauffement local tres violent que subit la surface lors du passage de la meule. Lors du refroidissement qui suit immediatement et qui est controle par la conduction thermique du metal, les contraintes de tension induisent de petites fissures de surface. Leur profondeur est faible, de 1'ordre du dixieme de millimetre et elles sont imbriquees en reseau facile a deceler par des methodes magnetiques. Rarernent graves en tant que telles, elles sont dangereuses car presentes dans un materiau souvent dur, donc fragile, dans lequel elles pourront se propager ulterieurement.

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Incidents dus aux traitements thermiques Aucun echauffement nl refroidissement de matiere ne peut etre obtenu sans 1'etablissement d'un flux de chaleur, donc d'un gradient thermique. Ce gradient thermique, du fait de la dilatation des metaux, conduit au developpement de contraintes internes dont 1'amplitude croit lineairement avec le gradient thermique. Ces contraintes sont a 1'origine des tapures lors de la solidification des lingots ou lors du refroidissement qui suit le passage d'une meule de rectification. On trouvera les memes tapures lors du chauffage brutal d'une grosse piece (tapure interne) ou lors d'une trempe (tapure externe). Des formes perturbees, augmentant les heterogeneites thermiques, favorisent les risques de formation de tels defauts. De plus, des defauts plus petits, comme des inclusions ou des micro-retassures, peuvent servir a 1'initiation de ces tapures. L'utilisation d'aciers a haute trempabilite permet de reduire les vitesses de refroidissement necessaires a la transformation martensitique puisque les vitesses critiques de trempe sont plus faibles. Reduisant les gradients thermiques, on reduit ainsi les risques de tapures. Pour le chauffage, il est toujours possible de reduire la vitesse d'echauffernent en chargeant dans un four froid et en protegeant la piece du contact des flammes ou du rayonnement des resistances a 1'aide d'ecrans. Le revenu met en osuvre des vitesses de chauffage et de refroidissement plus faibles et ne conduit pas aux tapures. De plus, il adoucit le metal qui est done moins fragile. II est cependant necessaire d'eviter, pour les aciers au chrome, la fragilite induite dans le domaine des 475 °C, domaine que l'on cherchera a traverser rapidement lors du refroidissement. Enfin, 1'atmosphere du four de traitement thermique reagit avec la surface du metal et, dans le cas des aciers, une decarburation superficielle est frequente. Elle reduit la durete superficielle et done la resistance a la fatigue ou a 1'usure de la piece. II est parfois difficile de preciser la profondeur de cette zone autrement que par micrographie.

Le suivi des defauts : le controle non destructif En presence de tels defauts, une connaissance precise de leur localisation et de leur geometrie est imperative pour predire le comportement de la structure en service. Des essais detailles et destructifs sont utiles pour un suivi continu de la fabrication. Ils sont realises par prel;evements sur la ligne de fabrication en vue d'une analyse fine des mecanismes de formation de ces defauts. II est evident que les imperatifs economiques imposent d'utiliser aussi des techniques de controles en continu qui n'induisent aucun dommage a la piece controlee. Utilisees regulierement dans les secteurs industriels de la metallurgie et de la mecanique [B20], les techniques d'examens non destructifs (END) meritent une presentation rapide, compte tenu de leur importance comme apport a la connaissance des defauts, en vue de preciser leurs impacts potentiels.

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Les rayons X et y Les techniques de radiographie sont fondees sur 1'absorption des rayonnements electromagnetiques lors de la traversee des materiaux. L'attenuation du faisceau croissant avec 1'epaisseur traversee, tout defaut, correspondant peu ou prou a un manque de matiere(2), sera detecte par une intensite transmise localement superieure. L'intensite transmise est obtenue par la relation : ou est le coefficient d'attenuation lineique qui depend du materiau et de 1'energie du rayonnement electromagnetique, et x 1'epaisseur parcourue. La technique consiste a emettre un faisceau a 1'aide d'un tube a rayons X (50 a 500 kV), ou d'une source radioactive y pour les fortes energies (photons de 0,5 a 5 MeV), et a analyser le faisceau transmis a 1'aide d'un detecteur sensible a ce rayonnement, generalement un film photo, mais de plus en plus souvent un dispositif a semi-conducteur. Compte tenu des flous geometriques, les resolutions qui peuvent etre obtenues sont de 1'ordre 150 m au mieux, et on peut detecter un defaut correspondant a un manque de matiere de 1'ordre de 1 % de 1'epaisseur traversee. On remarquera que, comme le contraste de detection est lie a la difference d'epaisseur traversee par les photons, les RX sont particulierement adaptes

Fig. 2.14. Radiographie X d'une piece avec un defaut.

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Le cas d'une insertion d'un element etranger a plus forte absorption, comme une goutte

de tungstene dans un cordon de soudure, conduira a un contraste inverse.

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a la detection de defauts dont le plan principal est parallele a la direction de propagation du faisceau. Des techniques plus elaborees, comme la tomographie, ou source et film se deplacent parallelement, permettent d'explorer un plan particulier de la structure et ainsi de preciser la structure tridimensionnelle des defauts. Une variante de cette technique consiste a utiliser un faisceau de neutrons pour explorer la structure. On utilise alors la tres grande variabilite de la section efficace d'absorption des neutrons thermiques selon les isotopes, ce qui perrnet de renforcer le contraste par ajout d'un element fortement absorbant. La neutronographie permet ainsi de bien detecter la presence d'une phase peu dense dans une structure tres absorbante aux photons (par exemple des colles organiques dans des structures en acier).

Les ultrasons Le controle par ultrasons consiste a propager un ebranlement elastique, ou plus precisement un train d'ondes, dans une piece a 1'aide d'un traducteur ultrasonore (qui transforme une impulsion electrique en deplacement par effet piezo-electrique) et a mesurer les echos ou les attenuations que les defauts presents induisent sur la propagation de cet ebranlement. La figure 2.15 donne un schema des techniques utilisees dans ce type de controle. Ils sont generalement realises avec des appareils plus ou moins autonomes, sur site ou

Fig. 2.15. Schema de principe de la detection de defauts par controle ultrasons.

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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en atelier. Ils necessitent toujours la presence de fluide pour assurer le couplage entre la source d'emission, la piece et le capteur. Les frequences utilisees sont de 1'ordre de quelques MHz. A 1'oppose des RX, ce mode de controle est surtout sensible aux defauts dont le plan principal est perpendiculaire au faisceau. En jouant sur 1'incidence, on peut eventuellement obtenir cette condition par une orientation controlee du faisceau emis. Dans le cas de 1'echo-localisation ou echographie (A), la mesure du temps necessaire au re tour de 1'echo permet de preciser la distance a laquelle celui-ci se situe. En effet le temps au bout duquel est detecte 1'echo est donne par la relation :

Par deplacement le long de la surface, on peut preciser la geometric de la surface reflechissante dans la piece. II est par ailleurs possible de focaliser le faisceau ultrasonore et, par la, d'affiner la detection des defauts internes par deplacement en 3D du capteur (B). Une autre variante consiste a separer emetteur et detecteur et a determiner 1'intensite du faisceau transmis, corrige des effets d' attenuation et de diffusion. II est courant de representer les resultats de ces controles selon 1'un des trois modes suivants : le mode A precise la localisation du defaut en profondeur au droit d'un point donne de la piece, le mode B decrit une cartographic en profondeur selon une section plane, alors que le mode C correspond a une projection sur la surface de la position des discontinuites sources des echos. La combinaison des modes B et C permet une visualisation 3D de la localisation des defauts. Comme la taille du defaut peut etre comparable a celle du faisceau et aux longueurs d'ondes, les ondes emises en reflexion par le defaut vont naturellement conduire a des phenomenes de diffractions et d'interferences. Les developpements modernes du controle ultrasonore les utilisent pour une meilleure determination de la geometrie du defaut : un jeu de capteurs est utilise pour recueillir les faisceaux diffractes et, par une analyse de Fourier inverse de leurs amplitudes et phases, on peut developper une "reconstruction de defaut" qui consiste a determiner la geometrie d'un defaut "ideal", generalement ellipsoide, qui conduirait aux memes phenomenes. Les performances des techniques modernes de controle par US permettent de detecter des defauts de la fraction de millimetre dans des pieces de plusieurs decimetres ou de quelques dizaines de micrometres dans des toles ou des tubes d'epaisseurs inferieures au millimetre.

Autres techniques Principalement utilisees pour la detection de defauts de surface, debouchant ou non, les techniques les plus usuelles fondees sur les proprietes electromagnetiques des materiaux sont les courants de Foucault et la magnetoscopie.

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Fig. 2.16. Technique de controle de tubes par courants de Foucault.

Les courants de Foucault La methode des courants de Foucault consiste a creer par induction electromagnetique un courant de surface dans le metal (elle n'est donc applicable qu'a des conducteurs electriques) et a mesurer les differences de comportement (impedance locale) induites par des defauts presents sur le developpement des courants induits. Par deplacement sur la zone a sonder, un capteur, constitue de deux bobines identiques, balaye le metal de part et d'autre du defaut. La valeur des selfimpedances de ces bobines varie en fonction de 1'intensite et de la phase des courants induits, et done de I'existence ou non d'un defaut qui les affecte. Pour des raisons evidentes de sensibilite, on travaille d'habitude de facon differentielle. L'image dans le plan complexe (phase, amplitude) du signal fortement amplifie permet de preciser la surface equivalente et la profondeur du defaut. Comme la profondeur de penetration des courants de Foucault depend de la frequence, une analyse de 1'evolution du signal avec la frequence renseigne aussi sur sa profondeur. Les appareils modernes permettent une telle analyse multifrequence et, pour le controle systematique de production, declenchent automatiquement la mise au rebut de pieces contenant des defauts depassant les criteres d'acceptabilite. Des defauts inferieurs a 50 (o-m sont facilement detectes par courants de Foucault, dans des installations industrielles ou la Vitesse de defilement depasse les 10 m s"1. Le schema d'une telle installation est presente en figure 2.16, ou deux bobines encerclantes identiques et montees en differentiel sont traversees par les tubes a controler.

La magnetoscopie Les methodes de magnetoscopie consistent a localiser les perturbations des lignes de champ magnetique qu'un defaut fait subir a un materiau

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Fig. 2.17. Perturbations des lignes de champ induites par un defaut de surface et localisation de la poudre d'oxyde de fer associee.

ferromagnetique place dans un champ d'induction. Deux methodes sont couramment utilisee : soit on place la piece dans un champ magnetique (la piece peut fermer un circuit magnetique cree par un enroulement sur un noyau en U aux extremites duquel elle est mise en contact, ou constituer ellememe le noyau d'une bobine d'aimantation), soit on fait parcourir la piece par un courant continu de forte intensite. Ces deux methodes sont complementaires car elles conduisent a des champs perpendiculaires : la premiere permet de detecter les defauts transversaux, la deuxieme les defauts longitudinaux. Cette magnetisation realisee, on asperge la piece d'un fluide contenant une poudre ferromagnetique. II s'agit generalement d'un liquide organique dans lequel une poudre fine d'oxyde de fer, de granulometrie egale au micrometre, est mise en suspension. Ces particules viennent se fixer sur les fuites magnetiques induites par les defauts, permettant de les localiser a 1'oeil (Fig. 2.17). Les perturbations de champ se developpant aussi pour des defauts non debouchants, mais situes sous la surface, ces derniers peuvent aussi etre detectes par cette methode. Un operateur experimente detecte des defauts dont la profondeur est inferieure a 100 |xm. II est necessaire de demagnetiser les pieces apres examen.

Le ressuage La technique de ressuage consiste, apres avoir nettoye la piece a examiner, a pulveriser sa surface d'un liquide mouillant, fluide et facilement visualisable (couleur vive ou fluorescente). On laisse les defauts debouchants s'impregner de ce liquide, puis on en elimine 1'exces reste en surface, par un nettoyage qui represente 1'etape critique : trop pousse, il vide les fissures du liquide penetrant, trop faible il laisse en surface du liquide, source d'indication erronees. La projection d'une poudre fine conduit, par capillarite, au rappel en surface de ce fluide, au droit des defauts, permettant leur localisation. Si cette technique est facile et rapide a mettre en osuvre, en particulier en raison de la disponibilite des produits utilisees sous forme de bombes aerosol, il faut souligner qu'elle ne s'applique qu'a des defauts debouchants, meme s'ils sont tres fins (largeur minimale detectable de 1'ordre de 5 (Jim).

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L'emission acoustique Sans etre stricternent une technique de controle non destructive, 1'emission acoustique permet de localiser des defauts dans des structures. Elle est obtenue lors de 1'application d'une sollicitation plus intense que celles correspondant au service normal. Celle-ci developpe une deformation plastique au voisinage des defauts, en raison des singularites de contraintes qu'ils induisent (ch. 4). Ces deformations, relaxant les contraintes locales, sont la source d'ebranlements elastiques qui se propagent dans la structure. Une serie de capteurs, judicieusement places sur la structure, permet de remonter, par analyse des

Tableau 2.1. Caracteristiques comparees des methodes de controle non destructif. Technique

Type de defauts detectables

Sensibilite et pouvoir separateur

Mise en ceuvre

Limitations

Ressuage

Debouchant en surface

Liquide colore : 50 x 200 m fluorescent : 1 x 20 m

Tres facile, sur site

Impossible sur materiaux poreux

Magnetoscopie

Surfacique ou subsurfacique

Fraction de mm

Installation specifique, atelier

Materiaux ferromagnetiques uniquement

Courants de Foucault

Defauts superficiels

Facile, equipements portatifs. En ligne de fabrication : jusqu'a

Impossible sur les materiaux nonconducteurs

Radio X et 7

En volume Defauts // flux de photons

Installation lourde, utilisable sur site par personnel qualifie

Lent

Ultrasons

Au sein du volume, Defauts 1 propagation des ondes

Detection 100 m

Penetration mm a cm selon energie. Resolution : fraction de mm

Epaisseur > 1 m, Tres facile Extension en sur site et en microscopie ligne de acoustique production (resolution 1

m)

Ne convient pas aux materiaux tres heterogenes

CHAPITRE 2 - LES DEFAUTS METALLURGIQUES

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retards de detection, aux lieux d'emission. Bien adaptee aux grandes structures, cette technique peut etre utilisee a 1'occasion d'epreuve hydraulique d'appareils a pression de grande taille. Elle est aussi utilisee au laboratoire sur de petits echantillons pour preciser 1'instant de propagation d'un defaut ou d'une fissure particuliere.

L'evolution des defauts En presence d'un defaut detecte dans une piece ou dans un assemblage metallique, il est necessaire de connaitre le danger qu'il peut representer lors de 1'usage normal ou accidentel pour lequel 1'objet a ete concu. Divers comportements peuvent apparaitre : au cours de la duree de vie pour laquelle la piece a ete definie, le danger peut rester identique a lui-meme. II peut aussi evoluer lentement, ce qui demandera un controle a intervalles reguliers. Enfin, il peut aussi conduire a la rupture lors de la mise en service ou lors des essais preliminaires. Les developpements recents de 1'analyse des contraintes en presence d'un defaut permettent maintenant de preciser dans quelles conditions tel ou tel comportement peut avoir lieu. Sans vouloir presenter en detail ces approches, ce qui depasserait largement le cadre de cet ouvrage, et laissant le lecteur interesse consulter les livres cites en reference, nous donnerons quelques apercus generaux sur la facon de traiter les singularites elastiques induites dans une piece par la presence de defauts. Nous verrons comment on peut en deduire le comportement ou 1'evolution de ces defauts.

Cette page est laissée intentionnellement en blanc.

Les moyens de caracterisation

des ruptures La fractographie est la technique permettant de quantifier, par un examen fin, les surfaces de rupture en vue de comprendre les mecanismes qui en sont a I'origine. Les echelles utilisees vont de I'ceil, pour des aspects macroscopiques, aux microscopies optiques ou electroniques et peuvent impliquer des techniques de micro-analyse.

La fractographie L'objet de la fractographie est de determiner les caracteristiques des surfaces de rupture en vue de preciser les mecanismes ayant conduit a leur formation. Selon 1'echelle a laquelle on se place, les informations tirees de 1'observation n'auront pas le meme impact dans 1'analyse. L'aspect macrographique permet de preciser le ou les sites d'amorcage, 1'existence de diverses zones a morphologies variees, correspondant a des modes de rupture distincts ou a la presence eventuelle de diverses lignes d'arret, qui localisent le front de fissures a diverses etapes de la propagation, comme cela peut s'observer sur la figure 3.1. Au niveau microscopique (a 1'echelle du micrometre), les structures de surfaces sont typiques d'un mecanisme particulier et seront detaillees au fur et a mesure de leurs etudes. L'oeil, seul ou aide d'une loupe binoculaire (20 - 40 X), permet de preciser les principaux traits geometriques (grandes lignes permettant la localisation de 1'origine et des positions successives du front de fissure, changement d'aspect revelant une transition dans le mode de propagation, zones colorees revelant des produits de corrosion...). Le pouvoir separateur de 1'oeil est de 1'ordre de une minute d'angle, ce qui permet de detecter des details de 1'ordre de 25 m a une distance de 25 cm. L'utilisation du microscope optique se trouve limitee par sa faible profondeur de champ. Comme les surfaces de ruptures sont generalement irregulieres, il est done impossible d'observer directement les surfaces sans preparation. On pallie cette limitation en realisant une coupe plane de metallographie, normale a la surface de rupture. Un renforcement des bords peut etre obtenu par un depot electrolytique de nickel ou d'un autre materiau dur. On peut ainsi acceder a une vision du chemin de propagation de la surface de rupture et le correler a des caracteristiques metallurgiques du materiau. La figure 3.2 montre ainsi la difference entre une propagation intergranulaire et transgranulaire dans un acier.

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Fig. 3.1. Aspect macroscopique de la rupture d'une pale d'eolienne en alliage leger. On determine facilement les sites d'amorcage et la progression du front de fissuration, avant rupture brutale sur la zone reperee "F".

Fig. 3.2. Observation par metallographie optique de ruptures transgranulaire (clivage) et intergranulaire (decohesion) dans un acier doux a gros grains.

CHAPITRE 3 - LES MOYENS DE CARACTERISATION DES RUPTURES

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A fort grossissement, 1'utilisation du microscope electronique a transmission se heurte a la quasi-impossibilite de realiser des lames minces dans le plan de la surface de rupture. Une empreinte de la surface peut etre obtenu sur un film de carbone, soit directement de facon destructive, soit a 1'aide d'une empreinte intermediaire en acetate ou en nickel (double replique). Apres decapage et ombrage au chrome ou au platine, on observe en transmission la feuille de carbone. Frequemment les precipites presents sur la surface de rupture sont transferes sur la replique (Fig. 3.3) et leur analyse est possible dans le microscope par diffraction electronique et micro-analyse X.

Fig. 3.3. Observation d'une rupture induite par des precipites allonges, partiellement extraits lors de la realisation de la replique au carbone.

Le microscope electronique a balayage Le developpement technologique des microscopes electroniques a balayage (MEB) est tel que cet outil est devenu maintenant le support privilegie des etudes microscopiques des surfaces de fracture. En effet, d'un cout comparable a celui d'un microscope optique, cet appareil apporte les informations et avantages suivants : • pratiquement aucune preparation de 1'echantillon, si ce n'est le prelevement pour un volume total de 1'ordre de quelques centimetres cubes. Pour les materiaux isolants, une vaporisation fine (quelques nm) d'or ou de carbone permettra 1'ecoulement des charges deposees par le faisceau electronique ; • une observation non destructive permettant une reprise ulterieure de 1'examen ; • une resolution geometrique de la surface de quelque 10-100 nm, associee a une profondeur de champ de 1'ordre de la taille de la plage examinee ; • la possibilite d'une analyse chimique locale de la zone d'impact du faisceau electronique, par spectrometrie du faisceau X emis par cette zone (resolution spatiale de ~ 1 |xm).

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Fig. 3.4. Schema de principe du microscope a balayage.

L'appareil lui-meme, schematise en figure 3.4, est constitue d'une colonne electronique ou un faisceau accelere par un canon (15-25 kV) est conduit sur la surface de 1'echantillon qu'il vient frapper localement ; la surface a examiner est exploree par balayage de ce faisceau. Les electrons arrivent sur cette cible, y sont ralentis, et absorbes ou reemis vers I'exterieur. L'interaction du faisceau incident avec les atomes de 1'echantillon conduisent a la liberation d'electrons qui, arrivant a la surface, servent a la formation de 1'image observable.

Les electrons secondaires Parmi les electrons emis, on utilise plus frequemment ceux qui ont ete liberes par ionisation des atomes de 1'echantillon, et qui sont dits secondaires ; ils ont une faible energie (quelque 100 eV). Leur faible parcours dans la matiere conduit a ce que seuls ceux induits pres du point d'impact du faisceau peuvent quitter la surface. La resolution spatiale en electrons secondaires est done liee a la taille du faisceau electronique au point d'impact. En raison de la faible energie de ces electrons, une legere polarisation electrique permet de les collecter et de connaitre leur flux par I'intermediaire d'un scintillateur et d'un photomultiplicateur (Fig. 3.5). Cette chaine de detection assure une amplification par un facteur de 104 a 106 du signal d'electrons secondaires. Pour une meme intensite reemise par 1'echantillon, 1'orientation relative entre la surface et le collecteur conduira a une detection differente. On peut ainsi avoir acces a une perception du relief de 1'echantillon. En modifiant 1'amplitude du balayage electronique, on parcourt la surface a des grandissements variables. Le signal provenant du photomultiplicateur est envoye a la Wehnelt d'un tube d'imagerie

CHAPITRE 3 - LES MOYENS DE CARACTERISATION DES RUPTURES

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Fig. 3.5. Sytemes de detection principaux en microscopie a balayage.

balaye en synchronisation. On peut y observer 1'image de la surface examinee et eventuellement 1'enregistrer sur support photographique, magnetique ou maintenant digital.

Les electrons retrodiffuses et imagerie X Les electrons retrodiffuses par interaction elastique Rutherford sur les noyaux proviennent, eux, de 1'ensemble du volume de freinage. Comme cette diffusion Rutherford est fortement dependante de la charge electrique du noyau (numero atomique), 1'intensite des electrons retrodiffuses donne une idee de la composition locale. De plus, des phenomenes de canalisation cristallographique permettent, dans certaines conditions, de preciser les orientations de chaque grain et done d'acceder a la cristallographie locale (lignes de pseudo-Kikuchi et techniques d'EBSD - electron back scattering diffraction). De plus, lorsque 1'interaction entre les electrons incidents et les electrons des atomes cibles conduit a une ejection d'un electron Is ou 2s, le freinage des electrons s'accompagne de 1'ernission de photons X correspondant au rearrangement du cortege electronique (emission X des raies Ka, KB ou L). Le spectre X ainsi emis provient de 1'ensemble de la zone de freinage des electrons (poire de freinage dont le volume est de 1'ordre du micrometre cube). En premiere approximation, les intensites emises sont proportionnelles aux concentrations locales, mais on peut tenir compte d'un certain nombre de corrections : • 1'intensite emise depend, pour un element donne, de la tension d'acceleration des electrons, les excitations electroniques n'ayant pas toutes les memes probabilites d'occurrence (correction de numero atomique, Z) ;

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• lors de leur trajet entre 1'atome d'emission et la surface libre de l'echantillon, certains photons X sont absorbes par le materiau analyse, et ce d'autant plus que celui-ci est de masse atomique eleve (correction d'absorption, A) ; • enfin, s'ils sont assez energetiques, ces photons peuvent interagir avec les corteges electroniques des atomes qu'ils traversent, en induisant de nouvelles ionisations, en particulier s'ils sont legers. Leur desexcitation conduit a 1'emission de raies X correspondant au rearrangement de la perturbation. II s'agit d'un phenomene de fluorescence (correction F) L'ensemble de ces corrections, dites de ZAF, sont effectuees par des programmes informatiques aux procedures bien etablies dans le cas des echantillons homogenes a surface plane. Dans le cas des surfaces irregulieres, comme celles rencontrees lors des examens de rupture, diverses procedures de corrections ont ete proposees, fondees sur une analyse des intensites relatives des pics de raies et celles des fonds continus.

Les perturbations locales des contraintes induites par les singularites geometriques Des defauts tels que les trous ou les entailles creent des concentrations locales de contraintes. La fissure, a rayon a front d'entaille nul, induit une slngularlte de contraintes, les contraintes divergeant en tete de fissure. On Introdult le facteur d'lntenslte de contralnte Kt qul permet de quantifier la distribution des contraintes en tete de fissure. On en dedult des conditions de propagation mlnlmale fondees sur un bllan energetlque : I'energle elastlque llberee par la propagation dolt e~tre superleure a I'energle des surfaces creees.

Dans le cas general, les ruptures observees sur les elements d'assemblage se sont propagees a partir de singularites geometriques telles que defauts, conges de raccordement a faible rayon, cavites, etc. Un examen des origines et mecanismes de formation de tels defauts a ete propose au chapitre 2. Dans ce chapitre, nous exarninons la maniere de quantifier les perturbations qu'elles induisent localernent sur les solicitations mecaniques. Ceci conduira a developper les concepts de facteur de concentration de contrainte k et de facteur d'intensite de contrainte KI.

Les concentrations de contraintes Intuitivement, il apparait naturel qu'une perturbation geometrique cree, dans son environnernent immediat, une zone ou les contraintes induites par les sollicitations exterieures seront modifiees, generalement augmentees. Le facteur multiplicatif local des contraintes que le defaut induit est appele facteur de concentration de contraintes, note ka.

ou global represente le niveau de contraintes en 1'absence du defaut au point ou il est localise, ou, ce qui revient au meme, hors des perturbations induites par celui-ci et local les contraintes maximales induites localement par le defaut. ka est un nombre sans dimension, dont la valeur est done conservee lors d'une homothetie, par exemple lors de la realisation d'une maquette. Quelques exemples de calcul du facteur de concentration de contraintes sont detailles ci-apres.

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Trou cylindrique dans une plaque Un des cas les plus simples de determination d'un facteur de concentration de contraintes correspond a la situation d'un trou cylindrique fore dans une plaque soumise a une traction unidirectionnelle, comme presente en figure 4.1. Diverses methodes de calcul permettent de determiner le champ de contraintes au voisinage du trou. Dans un repere cylindrique reference sur 1'axe de la cavite, la solution des equations de 1'elasticite correspondant a ce probleme s'exprime sous la forme suivante :

oii a est le rayon du trou cylindrique, r la distance du point courant au centre et O la contrainte de traction unidirectionnelle appliquee dans la direction 0 = O- . On peut remarquer que le maximum des contraintes est situe en bordure du trou et que le coefficient multiplicatif vaut 3 pour les contraintes de traction a

Fig. 4.1. Plaque percee d'un trou cylindrique et soumise a une contrainte uniaxiale a I'infini.

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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6 = /2 et 3- /2. On en deduit que le coefficient de concentration de contraintes associe a un trou cylindrique est egal a ka = 3, lors de solicitations normales a 1'axe du trou. Par ailleurs, on remarque que la modification des contraintes liees a cette singularite decroit rapidement avec la distance au defaut geometrique (en 1/r2). Ainsi, a une distance egale a deux diametres du centre, 1'increment de contraintes lie a la presence du defaut n'est plus egal qu'a 5 %. D'une facon plus generate, on peut exprimer que 1'effet mecanique de la presence d'un defaut s'estompe a une distance egale a deux fois sa dimension caracteristique (principe de Saint-Venant).

Geometries derivees Le meme type d'approche a ete applique a des variantes du probleme precedent. Le cas de la sphere creuse donne un facteur de concentration de contraintes qui depend des proprietes elastiques du materiau, en particulier du coefficient de Poisson v. ka (sphere) = (27 - 15 u)/(14 - 10 v), soit environ 2 pour les metaux. La presence d'une inclusion spherique ou ellipsoi'de est semblable au probleme precedent, en y incorporant les proprietes elastiques du materiau constitutif de 1'inclusion. Le facteur de concentration de contraintes est alors une fonction de la geometrie de 1'ellipsoide et des proprietes elastiques des deux milieux. Des qu'on s'ecarte de la symetrie cylindrique, la resolution du meme probleme en coordonnees elliptiques permet d'acceder a la solution pour une cavite ellipso'idale dans une plaque soumise a une contrainte uniforme parallelement a 1'un des axes de 1'ellipse (Fig. 4.2). Le lieu de concentration maximale de contraintes est evidement place en tete de 1'entaille. Pour une ellipse de grand axe b et de petit axe a, le facteur de concentration de contraintes est egal a : ka (ellipse) = 1 + 2 b/a

Fig. 4.2. Entaille elliptique, approximation d'une cavite de geometrie complexe.

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Fig. 4.3. Defaut general.

Pour un defaut geometrique de forme quelconque, il est toujours possible d'utiliser une approximation au premier ordre sous forme d'un cylindre a base elliptique (Fig. 4.3). Une extension du resultat precedent conduit a 1'evaluation generale de K . Ainsi, en considerant 1'ellipse equivalente au defaut pres du point ou est evalue k , deux grandeurs sont suffisantes pour le caracteriser : la longueur de la demi-ellipse a et son rayon de courbure a fond d'entaille p = b2/a. On obtient alors un resultat general pour le K d'un defaut dont la geometrie peut etre reduite a une longueur a et un rayon a fond d'entaille p : que l'on reduit generalement au seul deuxieme terme : (4.2)

Pour des geometries variees, telles que celles qu'on rencontre dans des pieces industrielles, diverses tables et abaques permettent de quantifier les concentrations de contraintes induites par les conges, gorges, etc. La figure 4.4 donne une liste de cas typiques. Il est clair que la reduction du rayon de courbure de 1'entaille conduit a une augmentation de la valeur du facteur de concentration de contraintes et, qu'a la limite, les contraintes locales divergent. A rayon a fond d'entaille nul, le concept de facteur de concentration de contraintes n'est plus utilisable. II faut introduire une maniere specifique de decrire cette singularite de contraintes, ce point est 1'objet de la prochaine section sur le facteur d'intensite de contraintes.

Le facteur d'intensite de contraintes Lorsque le rayon a fond d'entaille du defaut tend vers zero, les contraintes en tete de celui-ci divergent. La description de cette singularite de contraintes demande de resoudre les equations de 1'elasticite en imposant des conditions aux limites correspondant a une coupure dans le plan, la surface de fissure.

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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Fig. 4.4. Diverses valeurs de facteurs de concentration de contraintes pour des geometries industrielles.

Les modes de sollicitation L'ouverture d'une fissure peut etre obtenue selon trois modes independants de sollicitations (Fig. 4.5) : le mode I, le plus naturel, correspond a une traction normale au plan de la fissure ; les modes II et III sont obtenus lors de cissions dans

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Fig. 4.5. Schema des trois modes de sollicitation sur une fissure.

le plan de la fissure. Pratiquement on considere principalement le mode I, mais les situations correspondantes au mode II ou III sont frequentes (raccords de conduites sur reservoirs a pression, dilatation thermique differentielle d'assemblages, arbres en flexion-torsion, etc.).

L'evaluation des singularites de contraintes On peut remarquer que le probleme pose ne peut etre resolu qu'en deux dimensions. La resolution des equations de 1'elasticite avec ces conditions aux limites, introduite en annexe Al, fait intervenir des fonctions de variables complexes avec presence d'un pole localise en fond de fissure. Un developpement limite de ces fonctions pres du pole permet d'extraire une fonction, localement divergente, qui satisfait aux equations de 1'elasticite et aux conditions aux limites, et permet done de decrire la singularite de contraintes. Pour les conditions de mode I, correspondant a la figure 4.6, c'est-a-dire une fissure dans le plan Ox et des contraintes uniaxiales perpendiculaires O a 1'infini et une grande dimension selon Oz (deformation plane), la singularite de contraintes est decrite, au voisinage du front de fissure, par les expressions :

(4.3)

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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Fig. 4.6. Systeme de reperes utilises pour decrire la singularite des contraintes en tete de fissure.

La solution presentee est celle correspondant aux conditions de deformation plane. Elle conduit a des comportements specifiques, dont les consequences seront decrites dans le chapitre 8 sur la deformation plastique en fond de fissure. II est aussi possible de donner les solutions pour les conditions de contraintes planes. Ce mode de chargement est obtenu en particulier quand la dimension de la structure selon Oz est faible.

(4.4)

Le calcul du facteur d'intensite de contraintes Dans 1'ensemble de ces equations, la description de la singularite de contraintes est done le produit de deux termes : • un terme en

/(0) qui integre toutes les grandeurs geometriques locales

en tete de fissure, • et un terme, note K, indice selon le mode de chargement (I, II ou III), qui integre les conditions macroscopiques du chargement (geometric de la fissure et solicitations a grande distance).

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Ce terme Kest appele le facteur d'intensite de contraintes, appellation peu judicieuse, car ce "facteur" est une grandeur ayant une dimension [contrainte * longueur1/2]. Il s'exprime, dans le systeme international, en une unite peu courante : le Pa m1/2, ou plus generalement par son multiple le MPa m1/2. Le hasard veut que cette unite soit proche de celle utilisee outre-Atlantique (ksi vin.) : 1 MPa m1/2 ~ 1,1 ksi Vin. (Kilopound per square inch root of inch). Pour les deplacements, selon les axes principaux, on obtient :

(4.5)

w = 0

La valeur des emplacements des levres de la fissure (9 = ±TT) permet de determiner la forme de la fissure : en chargement, les levres decrivent un cylindre parabolique, et 1'ouverture externe (v pour r = a) est proportionnelle a la valeur de KI. Si l'on connait les contraintes appliquees, la simple mesure de 1'ouverture de la fissure permet donc de preciser sa profondeur. De meme, pour le mode II, la singularite de contraintes est decrite localement par les equations suivantes :

(4.6)

ozz = v ( XX + yy) en deformation plane et et en mode III par :

zz

= 0 en contraintes planes

(4.7)

Etant definis localement par rapport au front de fissure, les termes en r et 0 sont independants des conditions macroscopiques de sollicitation (taille de la fissure et contraintes). Aussi le champ de contraintes au voisinage de la singularite est-il totalement decrit par la seule connaissance du facteur d'intensite de contraintes. Ce dernier est suffisant pour determiner les sollicitations induites

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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par une fissure et des contraintes macroscopiques particulieres. Caracteriser une fissure donnee se reduira done a evaluer le KI (KII ou KIII) qui lui est associe. Le calcul des facteurs d'intensite de contraintes est un travail complexe qui peut parfois etre conduit de facon analytique, mais qui generalement necessite 1'utilisation de code aux elements finis. Pour des applications concretes, il existe des atlas de facteurs d'intensite de contraintes qui permettent d'evaluer de facon satisfaisante la valeur de K1 pour la plupart des situations effectivement rencontrees dans les structures industrielles [B9]. A titre d'exernple, la figure 4.7 presente les valeurs recommandees pour des geometries de fissures relativement classiques. On retiendra que la relation KI = .a est tres satisfaisante pour une premiere approximation de la valeur du facteur d'intensite de contraintes. Pour des applications demandant une rigueur de traitement, des ensembles de regies d'analyse et d'utilisation des codes de calculs precisent la maniere de

Fig. 4.7. Valeurs des facteurs d'intensite de contraintes pour divers types de fissures.

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considerer de facon conservative des situations concretes de fissures les plus complexes : pour les cuves de centrales nucleaires, les codes ASME sect. Ill aux Etats-Unis ou RCCM en France repondent a ces objectifs [B19]. Un exernple de calcul detaille d'une fissure dans la paroi d'un tube sous pression est presente en annexe A2. Cornpte tenu de 1'importance pratique du mode I, dans la suite de ce document on ne se penchera plus que sur les sollicitations de ce type. En mode II et III, les frottements reduisent la transmission des sollicitations en tete de fissure et la connaissance de'celles qui sont effectivement appliquees en fond de fissure est particulierement delicate a obtenir. Des situations de sollicitations mixtes (I + II ou I + III), correspondant a une inclinaison de la fissure par rapport a 1'axe de chargement, font maintenant 1'objet d'etudes approfondies, en particulier pour determiner le comportement, lors d'un choc externe, d'une piece en cours de fissuration sous sollicitation statique.

Distribution des contraintes Un certain nombre de points doivent etre discutes au vu de ces equations : Ainsi qu'il est detaille en annexe Al, les equations presentees ci-dessus ne sont que les approximations au premier ordre du developpement limite de fractions rationnelles en z (complexe). Tant qu'on reste a courte distance du front de fissure, les erreurs liees a cette approximation restent faibles, mais elles augmentent rapidement, des qu'on s'ecarte significativement du front de fissure. Ainsi en mode I, 1'erreur relative est inferieure a 1 % pour r/a = 1,01, atteint 25% pour r/a = 1,5 et depasse 60 % a une distance egale a la longueur de la fissure. On s'interesse cependant a la singularite de contraintes, c'est-a-dire au voisinage immediat du front de fissure et ce point est generalement sans consequences. La resorption de la singularite de contraintes se fait plus lentement dans le cas d'une fissure que dans le cas d'un defaut. En effet 1'evolution des contraintes locales est une fonction en l/ r au voisinage immediat de la fissure, decroissant plus lentement que pour un defaut a rayon de courbure non nul (en r -2 ). Le champ de contraintes associe a la singularite s'etend done largement en amont du defaut. Cependant, pour un calcul complet, on retrouve le principe de SaintVenant : a une distance egale a deux fois la dimension de la fissure, les contraintes ne sont plus egales qu'a 1,02 0. Les sollicitations en tete de fissure dependent de facon non lineaire des dimensions de la structure etudiee, et en particulier de la longueur de la fissure. II s'ensuit que le facteur d'intensite de contraintes n'est pas conserve par une homothetie ni donc lors de la realisation d'une maquette. Le calcul des contraintes conduit a des valeurs infinies en tete de fissure. Cette situation est physiquement irrealiste. Le comportement des materiaux conduira soit a une deformation plastique, soit a une rupture. C'est a partir de la connaissance des distributions de contraintes que ce comportement peut etre decrit. Ces points seront discutes ulterieurement. La mecanique de la rupture ne considere d'abord que les situations d'elasticite lineaire pour se pencher

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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seulement ulterieurement sur les consequences pour les materiaux. Lorsqu'une part importante de la piece etudiee est en condition de deformation plastique au moment de la rupture, une approche specifique est utilisee (comportement elasto-plastique en rupture).

La propagation d'une fissure Lors de I'avancee da d'une fissure, I'ouverture des levres de la fissure induit des deplacements autour de la tete de fissure. Les sollicitations elastiques peuvent done travailler et liberer une partie de 1'energie elastique emmagasinee dans la structure. Les etats initiaux et finaux sont presentes en figure 4.8. devaluation de 1'energie qui pourra etre ainsi recuperee permet de preciser les conditions energetiques de propagation.

La force d'extension de fissure L'energie elastique stockee en tete de fissure, W = 1/2

a.e dv libere pour toute Jvol.

avancee de la fissure da un travail elementaire dW/da. Celui-ci sera disponible pour contrebalancer toute contribution s'opposant a la propagation, en particulier la creation de surface ou la deformation plastique. Cette grandeur, appelee force d'extension de fissure, est notee G. Elle correspond a une force lineique appliquee au front de fissure. G = dW/da

(4.8)

Cette grandeur peut etre calculee pour une fissure dont on connait la valeur de Kt. En effet, les equations 4.3 et 4.5 permettent de decrire les contraintes et deplacements au voisinage de la fissure, en condition de deformation plane, et done de realiser cette integration.

Fig. 4.8. Travail des forces de surface pour I'avancee d'une fissure de da.

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Partant d'une fissure de longueur a, on la lalsse se propager de da (Fig. 4.8). La nouvelle tete de fissure est done placee en a + da. Pour evaluer 1'energie disponible lors de cette operation, on va refermer la fissure, ce qui consiste a appliquer entre a et a + da des forces surfaciques qui varient lineairement avec les deplacements (u), de la valeur 0 sur les levres de la fissure ouverte, aux valeurs correspondant aux contraintes en tete de fissure sur 1'axe des x, lorsqu'elle est refermee. En posant x' = da - x, on obtient :

ce qui conduit a :

Cette integrate definie donne la valeur de dW:

(4.9) En contraintes planes, on obtient : Le meme calcul en condition de deformation plane conduit a la relation : (4.10)

Les criteres de rupture Une fissure se propagera quand la force d'extension de fissure sera superieure aux composantes de la resistance a sa propagation. Dans le cas le plus simple d'une rupture entre rangees atomiques, sans deformation plastique, la propagation de la fissure se traduit par la formation de nouvelles surfaces uniquement et done d'une energie creee 2~ys. Le critere de Griffiths, qui decrit cette condition, s'ecrit simplement : Pour une fissure centree (en coup de sabre), la valeur de KI est egale a Kr = aVira et on en deduit qu'une fissure de largeur 2 a ne peut se propager que si la contrainte appliquee cr satisfait la relation : (4.11)

CHAPITRE 4 - PERTURBATIONS DES CONTRAINTES INDUITES PAR GEOMETRIQUES

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Pour la plupart des metaux, une deformation plastique aura lieu dans la zone de la fissure et 1'energie correspondante sera a integrer dans le bilan global. On peut ajouter un terme d'energie plastique ^p a celui de surface dans 1'equation de Griffiths, mais il est particulierement difficile a evaluer, et toujours tres grand devant ys, ce qui reduit serieusement 1'interet pratique de cette approche. Le critere de Griffith se verifie convenablement pour les materiaux pour lesquels la deformation plastique en tete de fissure est tres limitee, comme le verre. Pour une energie de surface de 1'ordre de ^s = 0,5 J m~ 2 et un module d'Young E = 70 GPa, on en deduit qu'une fissure se propagera pour une valeur du facteur d'intensite de contraintes superieure a 0,3 - 0,4 MPa m1/2. Des conditions qui abaissent 1'energie de surface, comme 1'adsorption d'eau, facilitent done la propagation. Ceci est mis a profit par les vitriers qui humidifient les plaques de verre pour en faciliter la fissuration lors de decoupes delicates. A ces faibles valeurs de Kj induisant la rupture, correspondent des tailles de defauts critiques, pour les contraintes usuelles, de 1'ordre de 0,5 a 10 |xm. Ces materiaux seront done particulierement sensibles a 1'etat de surface lors d'un essai mecanique. Pour s'affranchir de 1'impact de tels defauts de surface, on mesure souvent la resistance en traction intrinseque des ceramiques par un essai de compression diametrale d'un cylindre couche (dit essai bresilien). En effet, lors de cet essai, les contraintes maximales de traction sont localisees a 1'interieur de 1'echantillon iii- t7v»l^i-fc'f-

•

(4.12) ou Fr est la charge de compression a la rupture, d le diametre du cylindre et t son epaisseur.

L'evaluation des contraintes et deformations en regime elasto-plastique - Integrate de Rice La prise en compte de la deformation plastique au voisinage du front de fissure a conduit a proposer d'autres approches permettant de decrire les singularites elasto-plastiques. Ainsi Rice a introduit (1968) une integrate de contour, le long d'un chemin qui entoure les levres de la fissure, permettant d'evaluer 1'effort de propagation de la fissure quel que soit 1'etat du metal dans la zone consideree, elastique ou plastique. Cette integrate se definit par : (4.13) —> ou, au point courant, W est 1'energie elastique volumique emmagasinee, T le vecteur traction induit par les contraintes (bidimensionnelles) sur un element ds du contour F, et u le deplacement selon x induit par le chargement.

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Fig. 4.9. Contour, s'appuyant sur les levres de la fissure, utilise pour la definition de I'integrale J de Rice.

L'integrale J est independante du chemin suivi, sous reserve qu'il soit toujours appuye sur les levres de la fissure (Fig. 4.9). De plus, pour un regime totalement elastique, on peut montrer que J = G, la force d'extension de fissure. Ceci perrnet de relier les valeurs de JIC avec celles de KIC. Cette integrate de Rice peut etre utilisee pour explorer la distribution des contraintes et deformation en fond de fissure. On peut alors montrer que, localement, le travail de deformation elasto-plastique diverge en 1/r quand r -» 0 (4.14) On peut ainsi utiliser cette propriete pour proposer un champ de deformation divergeant en 1/r pour un materiau elasto-plastique non ecrouissable, ou toute autre distribution respectant cette condition, pour d'autres lois de deformation.

La rupture theorique entre atomes La contrainte theorique a rupture peut etre deduite des interactions entre atomes. On montre que cette contrainte theorique est tres largement superieure aux limites d'elasticite ou charges a la rupture des materiaux usuels. Des modes specifiques de rupture doivent done etre developpes qui permettront d'atteindre cette contrainte theorique de rupture.

La cohesion du cristal dans les metaux fait appel aux interactions entre les electrons et le reseau cristallin des ions. La distance entre atomes du cristal correspond a 1'equilibre entre les interactions attractives et repulsives. Lors d'une sollicitation en traction, la rupture entre plans d'atomes est atteinte quand la contrainte est egale a celle necessaire pour separer des plans atorniques au-dela de la force maximale de rappel.

Le calcul de la contrainte theorique de rupture Partant de 1'etat d'equilibre, la deformation d'un cristal est proportionnelle a la contrainte appliquee, passe par un maximum, et devient nulle quand les deux demicristaux sont eloignes. Le bilan energetique de cette transformation correspond d'une part au travail des contraintes et d'autre part a la creation de surface. En utilisant une approximation des contraintes aux grandes deformations elastiques par une sinusoiide ajustee sur le module d'Young E a 1'origine des deformations, les contraintes, lors de 1'effort de rupture, peuvent etre approximees par la relation suivante : a = a* sin (2TTX/A.)

ou x = (a — a0) est le deplacement depuis la distance d'equilibre inter-atomique a0. D'apres la loi de Hooke, aux faibles deformations, on a :

ce qui conduit

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Fig. 5.1. Contrainte theorique a rupture par deformation elastique.

Le bilan energetique a la separation impose que le travail des contraintes /or dx, soit egal a 1'energie des surfaces creees 2ys:

On en deduit une valeur de la contrainte theorique de rupture pour les materiaux cristallins :

(5.1) Pour des valeurs typiques des grandeurs physiques correspondantes, on obtient, selon les materiaux, une contrainte theorique de rupture egale a :

(5.2)

Confrontation avec les materiaux reels Un calcul identique realise avec des potentiels d'interaction entre atonies plus realistes ne rnodifierait pas significativement ce resultat. Cette valeur elevee de la contrainte theorique a rupture reste bien eloignee des contraintes a rupture observees pour les materiaux a "haute resistance". En effet, 1'examen du comportement mecanique des materiaux conduit, dans les meilleurs des cas, a obtenir des charges a la rupture, normalisees au module d'Young, ne depassant pas E/200. Dans des cas tres particuliers (par exemple les polymeres etires ou bien les trichites - en anglais whiskers - qui sont des fibres nanometriques monocristallines ne pouvant se deformer par absence de dislocations mobiles), pour lesquels les possibilites de deformation ont etc inhibees, on obtient cependant des valeurs proches du dixieme du module d'Young, se rapprochant de la limite theorique. II existe done des processus specifiques amplificateurs de contraintes qui permettent d'atteindre localement la valeur de la contrainte theorique de rupture,

CHAPITRE 5 - LA RUPTURE THEORIQUE ENTRE ATOMES

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a*. Ces processus consistent soit en une reduction locale de section efficace (rupture ductile), soit au developpement d'une singularite de contraintes en tete d'une fissure ou d'un empilement de dislocations. Eventuellement une deformation plastique confinee en avant du front de fissure conduira, en sollicitations oscillantes, a une progression lente et stable d'une fissure de fatigue. De plus, des effets d'environnements agressifs peuvent se superposer a ces mecanismes et les amplifier. Les chapitres suivants ont pour objet de passer en revue ces mecanismes.

Cette page est laissée intentionnellement en blanc.

La rupture ductile La rupture ductile, qui correspond a une tres forte deformation, est obtenue par le developpement, a Vinterieur du materiau, de cavites qui naissent autour des inclusions. La rupture apparait au niveau des ligaments entre ces cavites internes, donnant une surface de rupture en cupules.

LOTS d'un essai de traction classique, sur un acier par exemple, on impose a une eprouvette une deformation croissante, et on enregistre 1'effort necessaire a la poursuite de cette deformation (Fig. 6.1). Tout d'abord la deformation est proportionnelle a la charge et reste reversible. II s'agit de la deformation elastique qui suit la loi de Hooke. Exprimees dans le repere des contraintes principales et pour un materiau isotrope, les deformations prennent la forme simple suivante :

(6.1) ou E est le module d'Young et v le coefficient de Poisson.

Le developpement de la striction Lorsque la valeur des composantes du tenseur des contraintes permet d'atteindre un critere de plasticite, la deformation deviendra irreversible. Les metaux se deformant par glissement de dislocations ou par maclage, ces criteres evaluent la resultante des efforts de cission imposes au materiau. Le critere le plus classique est celui de von Mises. Evalue dans un repere quelconque, il s'exprime par la relation suivante :

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Fig. 6.1. Courbe de traction.

ce qui se reduit, dans le repere des contraintes principales, a : (6.3)

Une fois ce critere atteint, c'est-a-dire, dans le cas de la traction simple pour CTE, le comportement devient plastique. Lorsque la charge maximale est atteinte, la deformation se localise avant d'aboutir a la rupture de 1'eprouvette. Tout au long de ce processus de deformation plastique, la deformation du metal devient de plus en plus difficile : il s'ecrouit. La localisation de la deformation, appelee striction, a pour origine la reduction de la Vitesse d'ecrouissage. En effet, la deformation plastique ayant lieu a volume constant, tout allongement de 1'echantillon est compense par une reduction de sa section. Si, pour un increment d'allongement donne, cette reduction de section est plus importante que 1'accroissement de la contrainte d'ecoulement locale, toute perturbation de section devient instable. II est alors en effet plus facile de continuer a deformer localement plutot que de poursuivre une deformation uniforme. On peut montrer que, pour des metaux qui suivent une loi d'ecrouissage parabolique s'exprimant, en contrainte et deformation rationnelles, par : (6.4)

ou n est appele coefficient d'ecrouissage, la deformation localisee (striction) se developpe quand e = n. A cette deformation uniforme correspond la charge a la rupture dite ingenieur. La deformation se localise alors dans la striction, mais le metal continue a s'ecrouire. On peut verifier ce point en re-usinant une eprouvette cylindrique apres developpement de la striction et en reprenant 1'essai de traction. Une nouvelle striction se developpera alors toujours en dehors de la zone de la premiere striction, qui avait etc plus ecrouie que le reste du materiau.

CHAPITRE 6 - LA RUPTURE DUCTILE

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Les concentrations de contraintes autour des inclusions La striction en tant que telle n'est pas directement responsable du processus de rupture. Son developpement est le resultat du mode de deformation plastique du metal et de la competition entre la vitesse d'ecrouissage et la reduction de la section lors de la deformation axiale. Le processus de rupture ductile que nous allons decrire se developpe de facon continue au cours de la deformation plastique, sans que 1'apparition de la striction ne marque une quelconque discontinuite dans son deroulement, mats seulement une localisation de la deformation ulterieure. L'examen de la surface de rupture conduit aux observations suivantes : • macroscopiquement la surface de rupture est plate au centre, d'aspect mat, avec une couronne, eventuellement discontinue, en peripherie, ou la rupture a eu lieu par cisaillement a environ 45° (Fig. 6.2) ; • a fort grandissement, la zone centrale est constitute d'une multitude de petites cupules adjacentes, contenant frequemment des residus d'inclusions (Fig. 6.3). Le mode de mine permettant de rendre compte de ces observations est schematise en figure 6.4. Lors de la mise en charge, il y a concentration de contraintes autour des inclusions en raison de leur module d'Young different de celui de la matrice. Les contraintes plus fortes, qui se developperont au voisinage

Fig. 6.2. Aspect macroscopique d'une rupture ductile.

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Fig. 6.3. Cupules en rupture ductile.

Fig. 6.4. Formation des cupules.

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CHAPITRE 6 - LA RUPTURE DUCTILE

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des inclusions, y favorisent une deformation plastique localisee. Les incompatibilites de deformation entre la matrice et les inclusions conduisent a la rupture des inclusions ou leur decohesion a 1'interface inclusion - matrice, selon leurs resistances relatives. Le resultat est 1'obtention rapide d'une distribution de cavites au sein de la matrice, des le debut de la deformation plastique. Les champs de deformation, associes a chaque cavite entourant les inclusions, interagissent les uns avec les autres, localisant la deformation plastique entre ces zones. Les cavites se developpent et s'allongent peu a peu, reduisant 1'epaisseur des ligaments qui les separent. La section efficace de materiau supportant les sollicitations diminue et finalement atteint localement la charge a la rupture theorique a*. La charge supportee par ce ligament rompu est reprise par ses voisins qui cedent a leur tour, conduisant a la rupture complete de la piece.

Le developpement des cavites et la formation des cupules Toutes les inclusions ne jouent pas le meme role dans le developpement des cupules. En effet, seules celles de plus grande tailles, qui proportionnellement developpent un champ de deformation plastique plus etendu, donnent naissance a des cavites qui se developperont jusqu'a former les cupules de la surface de rupture. La description des mecanismes d'amorgage et de developpement des cavites a donne lieu a de nombreux travaux. On se limitera au modele de croissance d'un reseau de cavites bi-dimensionnelles developpes par Me Clintock. Pour des cavites de diametre d et separes d'une distance A., un materiau ecrouissable, selon une loi classique a = a0en, aura une deformation a rupture eR pratiquement egale a :

(6.5) ou (TX et (Ty sont les contraintes qui tendent a agrandir les cavites et crh la contrainte hydrostatique (trace du tenseur des contraintes). On pourra etre sensible aux dependances de la deformation a rupture : decroissant avec la densite de cavites initiales (inclusions) mais augmentant fortement avec ah, c'est-a-dire avec la composante hydrostatique du tenseur des contraintes. Ce dernier point explique que la rupture ductile s'amorce a 1'interieur de la zone de striction lors d'un essai de traction, pour se propager radialement vers I'exterieur, ou des conditions de contraintes planes favorisent un cisaillement, responsable de la formation de la collerette externe. De meme sous tres haute pression hydrostatique, on peut augmenter la deformation a rupture lors d'un essai de traction. II peut etre utile de souligner les points suivants : • Le developpement des cavites n'est pas lie a la formation de la striction. II commence bien avant, dans le regime de deformation uniforme.

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Fig. 6.5. Cupules observees dans un acier doux (replique au MET).

• Sur une surface de rupture ductile, la densite surfacique d'inclusions (par exemple en figure 6.5, obtenue par replique au MET, ou environ la moitie des inclusions ont etc prelevees avec la replique), apparait bien superieure a la densite volumique des inclusions, telle qu'elle peut etre mesuree par micrographic. Cette difference s'explique par la contribution des inclusions situees dans une bande volumique assez epaisse (50 a 500 |xm) a la formation des cupules. On pourrait comparer la densite surfacique des inclusions sur la surface de rupture a celle obtenue par projection de toutes les inclusions de cette zone. Un cas tres particulier de rupture ductile a lieu avec une tres faible deformation totale. II s'agit de la rupture "intergranulaire ductile". Elle est obtenue quand une precipitation intergranulaire permet de disposer, des le debut de la formation des cavites, d'un alignement de celles-ci. Localement, sur le joint de grain, la deformation plastique est importante, mais comme les cupules sont pratiquement dans le meme plan et peuvent coalescer facilement, la rupture a lieu apres une tres faible deformation totale (Fig. 3.3).

Le clivage et les ruptures fragiles Dans les aciers, on observe une transition entre une rupture fragile a basse temperature et ductile a haute temperature. La rupture fragile est obtenue par clivage, rupture le long de plans denses de chaque grain. L'essai Charpy permet de quantifier cette transition. On introduit I'approche statistique de la rupture, correspondant a celle declenchee par la rupture d'un element de volume particulier.

Le clivage est un mode de rupture dont le mecanlsme principal est la separation des plans atomiques pratiquement sans deformation. Particulierement frequent dans les cristaux ioniques, il peut etre observe dans les metaux, en particulier dans le cas des faibles symetries cristallines comme les cubiques centres ou hexagonaux. Ce mode de rupture etant en competition avec la deformation plastique, il est facilite par une faible temperature, lorsque les mecanismes de deformations sont moins actives. Ceci conduit a 1'existence d'une transition fragile (a basse temperature) - ductile (a plus haute temperature). A cette transition en mode de rupture correspond une transition en morphologies de surfaces. A basse temperature, dans le domaine fragile, on obtient des ruptures intracristallines par clivage, alors qu'a haute temperature, les morphologies de rupture correspondent aux cupules ductiles decrites au chapitre 6. La morphologic des surfaces de rupture par clivage correspond a une propagation transgranulaire. Elle peut etre facilement observee par microscopic a balayage, comme sur la figure 7.1, ou par observation en microscopic optique comme en figure 3.2. Sur cette derniere figure, on remarque clairement que les surfaces de ruptures sont differentes des lignes de glissement. Une autre caracteristique des ruptures de clivage est la presence relativement frequente de lignes paralleles a la direction de propagation : les rivieres. Elles sont la trace de raccordements de la fissure se propageant sur des plans situes a niveaux tres legerement differents. Ces variations de niveau peuvent etre engendrees par le passage d'un joint de faible desorientation ou par les decalages cumules induits par les traversees de dislocations vis.

L'amor^age d'un clivage Pour obtenir une fissuration par clivage, il faut necessairement passer les deux etapes d'amorcage, ou une premiere fissure se developpe a 1'interieur du metal sain, c'est-a-dire que localement la contrainte theorique a rupture est atteinte,

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Fig. 7.1. Clivage dans un acier doux.

et celle de la propagation de cette micro-fissure sous 1'effet des contraintes appliquees. Pour 1'etape d'amor^age, divers modeles ont etc developpes. Us sont tous fondes sur 1'observation de la necessite d'une faible deformation plastique a 1'amorgage. Le modele le plus classique considere le developpement d'une singularite de contraintes en tete d'un empilement de dislocations. Dans un grain, une source de Frank, S, est activee par un cisaillement T. Les dislocations emises traversent le grain et sont bloquees par le joint de grain (Fig. 7.2). Get empilement de dislocations induit, dans le grain adjacent, une singularite

Fig. 7.2. Empilement de dislocations sur un joint de grain et amorce de clivage dans le grain adjacent.

CHAPITRE 7 - LES CLIVAGE ET LES RUPTURES FRAGILES

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de contraintes. Son evaluation est obtenue en sommant les champs de contraintes individuels des dislocations. Celles-ci sont en equilibre repulsif entre elles, mais rempilement est aussi en equilibre avec les sollicitations appliquees T. On peut montrer que Ton obtient ainsi, en tete d'empilement, des contraintes locales a( donnees par 1'expression suivante :

(7.1) ou L est la distance de la source au joint de grain, rf la force de friction de reseau (force de Peierls) et /(6) une fonction trigonometrique bornee, dont la valeur est maximale a 9 = 0 pour les composantes de cission, et a 0 ~ 70° pour les composantes de traction, et r la distance entre la tete d'empilement et le point devaluation des contraintes. On remarque ainsi que 1'empilement de dislocations induit dans le grain adjacent une singularite de contraintes en 1/Vr qui permet d'atteindre localement la contrainte theorique de rupture. Ceci permet la formation d'une fissure dans le grain adjacent sous la seule composante de cission des contraintes appliquees. Les composantes de traction ne sont pas actives dans cette etape et ne jouent un role que pour la propagation. Cette singularite de contraintes induite par un empilement de dislocations a etc mise en evidence experimentalement sur des bicristaux de MgO. L'examen en lumiere polarisee permet de determiner les contours d'egal niveau de distorsion et, par derivation, de visualiser les singularites de contraintes. Elles sont localisees au droit des empilements de dislocations, elles-memes revelees par des figures d'attaques qui suivent les bandes de glissement (Fig. 7.3). Cependant le volume dans lequel les contraintes sont suffisantes pour induire une deformation plastique est grand devant celui ou elles sont superieures a la contrainte theorique a rupture. On s'attend done a une competition entre developpement de 1'amorce de fissure, a une echelle de quelques distances interatomiques, et la propagation de la deformation plastique au grain adjacent, dans une zone proche de la taille de grains. Dans les faits, le volume pour lequel a > aE ne correspond pas toujours a une zone deformable. II faut en effet que cette zone contienne des dislocations mobiles. Ainsi, dans un metal convenablement recuit, la densite de dislocations peut etre assez basse pour que le volume ou des dislocations pourraient etre activees n'en contienne pas. II y aura alors amorce du clivage. D'autre part, la deformation plastique etant faiblement thermo-activee, toute augmentation de temperature se traduit par une reduction de crE. Pour la meme sollicitation, le volume qui pourra etre mis en deformation plastique va croitre, et done aussi la probabilite d'activer le glissement de dislocations dans le grain adjacent. Ce mecanisme est a l'origine de la transition fragile-ductile : une faible augmentation de temperature va permettre de laisser se propager la deformation plastique de grains a grains et inhiber le developpement d'amorces de fissures de clivage. La cristallographie du clivage a ete etudiee en detail. Les plans de clivage sont differents des plans de glissement. Pour le glissement, roptimum correspond a une minimisation de 1'energie des dislocations, c'est-a-dire un plan pour lequel le vecteur de Burgers est le plus faible possible alors que, pour le clivage, on maximise 1'energie de surface. II aura done lieu sur des plans a forte

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Fig. 7.3. Mise en evidence des singularites de contraintes en tete d'empilements de dislocations dans MgO.

densite surfacique d'atomes. Les plans de clivages observes sont les suivants : cubique centre et sels cubiques {100}, cubique faces centrees : probablement inexistant, hexagonal {1000}, cubique diamant {111}.

L'essai Charpy (ou de resilience) Developpe dans les annees 1900 pour les aciers de construction, 1'essai Charpy permet de quantifier la transition ductile - fragile. II est tres facile d'emploi, done tres utilise, et a fait 1'objet d'une normalisation internationale (EN 10045, AFNOR 03 161, ASTME23) Un barreau de section carree (10 X 10 x 55 mm) est entaille sur 2 mm de profondeur (Fig. 7.4). Apres mise en temperature, il est soumis a un choc a 1'aide d'un mouton pendule de 30 a 300 joules arrivant a une Vitesse d'environ 5-7 metres par seconde. L'energie du choc (deformation ou rupture) est tracee en fonction de la temperature de 1'eprouvette. On obtient ainsi la courbe de transition de resilience. On observe a basse temperature une rupture avec une tres faible perte d'energie ; lorsque la temperature augmente, 1'eprouvette se deforme fortement et absorbe une energie importante au moment du choc, c'est le plateau ductile (Fig. 7.5).

CHAPITRE 7 - LES CLIVAGE ET LES RUPTURES FRAGILES

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Fig. 7.4. Eprouvette Charpy et essai de resilience au mouton pendule.

Dans le cas des aciers de cuve de reacteurs, 1'irradiation, par la creation de defauts ponctuels et des segregations locales d'amas riches en Mn, Ni, Cu, induit une augmentation de la limite d'elasticite. Cette augmentation de la resistance mecanique rend la deformation plus difficile en tete des empilements de dislocations et done favorise 1'amorcage de fissures de clivage, ce qui augmente la temperature de transition ductile-fragile, comme illustre par la figure.

La temperature de transition ductile-fragile On definit la temperature de transition selon diverses regies : soit la temperature pour laquelle 1'energie de rupture est egale a la moyenne du palier ductile et du palier fragile, soit la transition pour une energie absorbee arbitrairement fixee a 65 J (Tk 65, correspondant a 50ft Ib), ou encore la temperature pour

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Fig. 7.5. Example de courbes Charpy montranl les effets d'irradiation (flux integre de neutrons rapides) sur la temperature de transition ductile-fragile.

laquelle on obtient une egale fraction surfacique de clivage et de rupture ductile a cupules. La relation (7.1) montre que la singularite de contraintes en tete d'empilement varie comme VT. Pour des metaux pour lesquels le glissement des dislocations est assez facile, le principal obstacle a leur mobilite est constitue par les joints de grains. Le passage de la deformation d'un grain au suivant est declenche par les contraintes qu'induisent FempUement sur le grain suivant. En moyenne la distance sur laquelle les dislocations emises par les sources peuvent s'etaler, L, est egale a la moitie de la taille de grain. 11 s'en suit que la liraite d'elasticite, °° permet de determiner le terme a0, soit a0 — a0ViTa. Le developpement des composantes cry en coordonnees polaires fournit le tenseur des contraintes au voisinage de la tete de fissure donnees en (4.3).

A2 Fissure dans la paroi d'un tube sous pression On part de 1'evaluation du K\ correspondant a une fissure en demi-ellipse emergeant d'un massif soumis a une contrainte de traction uniforme et perpendiculaire au plan de cette ellipse (Fig. 4.7) :

ou 9 est Tangle directeur de 1'ellipse et E(k) 1'integrale elliptique de 2e espece definie par E(k) =

On applique alors cette approche au cas d'un tube sous pression. Pratiquement on rajoute un terme correctif proche de 1, dont la valeur exacte est fonction de la geometric detaillee de la fissure et des epaisseurs et diametre du tube. Un exemple de ces facteurs est donne en figure A2.1. On peut remarquer que I'approximation K, = o-V-rm est, comme souvent, satisfaisante pour un tel cas pratique.

ANNEXES

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Fig. A2.1. Coefficient correctif pour le calcul du K", d'une fissure interne dans un tube epais.

Cette page est laissée intentionnellement en blanc.

Bibliographie et References Afin d'alleger cet ouvrage, les tres nombreux travaux sur lesquels s'appuient les concepts presentes n'ontpas ete references defacon exhaustive. On s 'est limite a ceux d 'ou sont tirees les illustrations, agrementes de quelques articles plus particuliers. Le lecteur desireux de se constituer un jeu de references classiques utilisera d profit celles qui sont proposees dans les ouvrages de la bibliographie, sources d 'approfondissements eventuels.

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10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 11.2 11.3 11.4 11.6 12.1 12.2 12.3 12.5 12.8 12.9 12.10 13.2 14.1 A2.1

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Les illustrations non listeesfont partie de la collection de Vauteur ou du CEA.

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